V升压到V DC-DC变换器

1、3V升压到15V DC-DC变换器 共 18 页 摘 要 稳压电源是各种电子的动力源，被人称为电路的心脏，所有用电设备，包括电子仪器仪表，家用电器等对供电电压都有一定的要求。至于精密的电子仪器，对供电电压的要求更为严格。所谓的DC/DC直流稳压是指电压或电流的变化小到可允许的程度，并不是绝对的不变。 目前，随着单片开关电源集成电源的应用，开关电源正朝着短、小、轻、薄的方向发展。单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出来强大的生命力，它作为一项颇具发展和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍重视。尤其是最近两年来，国外一些著名的芯片厂家又竞相推出了一大批单片开关电源集成电路，更为新型

2、开关电源的推广及奠定了良好的基础。单片开关电源具有集成度高、高性价化、最简外围电路，最佳性能等指标，现已成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。 关键词：稳压电源；DC/DC直流稳压电源；单片开关电源 Abstract Power supply is a power source for a variety of electronic, has been called the heart of the circuit, all electrical equipment, including electronic instrumentation, and househol

3、d appliances to the supply voltage has certain requirements. The sophisticated electronic equipment, the supply voltage requirements more stringent. The so-called DC / DC voltage or DC current is small change to the extent permissible, not absolute change. ow, with the single application of integrat

4、ed power switching power supply, switching power supply is moving in the short, small, light, thin direction. Chip switching power supply since the mid-20th century, 90 have shown since the advent of great vitality, as a considerable development and impact of new products, the power sector attracted

5、 widespread attention at home and abroad. Especially in the last two years, foreign manufacturers and some well-known chip introduced a large number of competing single-chip switching power supply integrated circuit, more promotion of the new switching power supply and lay a good foundation. Chip sw

6、itching power supply with high integration, high price, the most simple external circuit, the best performance and other indicators, has now become the development of small and medium-power switching power supply, precision and power modules switching power supply integrated circuit optimization. Ke

7、y words: Power Supply; DC / DC DC Power Supply; Chip switching power supply 共 18 页 目 录 引言1 1 DC/DC变换器的基础知识1 1.1 DC/DC变换的含义1 1.2 DC/DC变换器的分类1 1.3 DC/DC变换技术的应用范围.1 1.4 DC/DC变换技术的优点1 2 MC34063的简介.1 2.1集成电路MC34063概述1 2.2内部结构及管脚概述3 2.3 主要性能.4 2.4 技术指标.4 3 电路原理及参数计算6 3.1内部原理框图6 3.2内部电路工作原理7 3.3 主要参数的计算方法.

8、7 3.4 MC34063的局限性.8 4 电路设计8 4.1设计技术指标要求8 4.2电路器件的参数选择8 4.3升压电路原理图及原理解释10 4.4升压电路的相关计算公式.11 4.5此设计要求中升压的相关计算12 5 电路板制作及调试12 6 结束语13 谢辞15 参考文献16 共 18 页 引言 稳压电源是各种电子的动力源，被人称为电路的心脏，所有用电设备，包括电子仪器仪表，家用电器等对供电电压都有一定的要求。至于精密的电子仪器，对供电电压的要求更为严格。所谓的DC/DC直流稳压是指电压或电流的变化小到可允许的程度，并不是绝对的不变。 目前，随着单片开关电源集成电源的应用，开关电源正朝

9、着短、小、轻、薄的方向发展。单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出来强大的生命力，它作为一项颇具发展和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍重视。尤其是最近两年来，国外一些著名的芯片厂家又竞相推出了一大批单片开关电源集成电路，更为新型开关电源的推广及奠定了良好的基础。单片开关电源具有集成度高、高性价化、最简外围电路，最佳性能等指标，现已成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。本设计要解决的主要问题是加入输入电压为3V的电源电压，使用DC/DC变换器实现输出为15V的电压。本设计采用的手段和方法是采用核心集成电路MC34063作为控制部分，外围加少量元器件组

10、成DC/DC升压电路。 1 DC/DC变换器的基础知识 1.1 DC/DC变换的含义 DC/DC变换即直流斩波，就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压。 1.2 DC/DC变换器的分类 变换器有两种类型：线性变换器开关变换器。开关变换器有三种拓扑结构：降压变换器（开关稳压器将一输入电压变换成一较低的稳定的输出电压）；升压 变换器（开关稳压器将一输入电压变换成一较高的稳定的输出电压）；反激变换器（开关稳压器将一输入电压变换成一较低的稳定反相输出电压）。 1.3 DC/DC变换技术的应用范围 主要应用于已具有直流电源需要调节直流电压的场合，广泛应用于无轨电车、有轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机

11、车车辆的无级变速以及20世纪 80年代兴起的电动汽车的调速及控制等。 1.4 DC变换技术的优点 此技术不仅可以实现调压的功能，而且还可以达到改善网侧谐和提高功率因数的目的。 2 MC34063的简介 2.1集成电路MC34063概述 MC34063是有UA78S40进一步简化的来的，由于 UA78S40内部设置了与主稳压系统无关的运算放大器，及开关性能，正相压降都不如意的续流二极管，使其引出脚增多，加上一些不必要的引出端，比如基准电压的输出端等，不得已采用16脚封装，其 共 18 页 后，美国摩托罗拉公司对UA78S40加以简化，取出了内部运算放大器和续流二极管，改为双列8脚PIC和SMD两

12、种封装形式，型号为MC34063，其技术参数基本与UA78S40相同。MC34063和UA78S40除作降压开关电源外，两者可作升压极性反转和多组输出的电压开关电源。由于MC34063体积小，且又SMD封装形式，故应用较广。 图2-1 MC34063A接线图 外围元件标称含义和它们取值的计算公式： Vout(输出电压)1.25V（R1R2） Ct(定时电容)：决定内部工作频率。Ct=0.000 004*Ton(工作频率) Ipk=2*Iomax*T/toff Rsc(限流电阻)：决定输出电流。Rsc0.33Ipk Lmin(电感)：Lmin(ViminVces)*Ton/ Ipk Co(滤波电

13、容)：决定输出电压波纹系数，CoIo*ton/Vp-p(波纹系数) 固定值参数： Vces=1.0V ton/toff=(Vo+VfVimin)/(ViminVces) Vimin:输入电压不稳定时的最小值 Vf=1.2V 快速开关二极管正向压降 共 18 页 其他手册参数： 参数名称 符号 单位 MC34063 34063 IRM03A 输入电压 Vin V 2.540V 2.540V 2.540V 输出电压 Vout V 1.2540V 1.2540V 1.2540V 最高频率 f kHz 0.1100KHZ 0.1100KHZ 0.1100KHZ 功 率 P W 1.25W 1.25W

14、0.9W 工作温度 Ta 度 070度 070 070度 在实际应用中要注意： (1) 快速开关二极管可以选用IN4148，在要求高效率的场合必须使用IN5819！ (2) 34063能承受的电压，即输入输出电压绝对值之和不能超过40V，否则不能安全稳定的工作 2.2 内部结构及管脚概述 核心元件MC34063是一种微功耗的集成稳压器，不仅效率高，而且能方便地实现降压、升压、反转等多种功能。 内部结构：它是一种单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。 管脚引线与外形封装： (

15、1) 管脚引脚功能: 外接定时电容Ct用于振荡器的定时，调节Ct可使振荡频率在100HZ100KHZ范围内变化；Ipk电流取样其作用是保证片内开关功率管的电流不超过其最大允许电流。 参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率由脚的外接定时电容决定，开 共 18 页 关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成ON，并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。 (2) 对于不同形状的外形封装,其热敏特性、产品标记、工作温度范围等见下表 2.3 主要性能 (1)具有精度高并且带温度补偿的1.25V基准电压源. (2)内部基准电压源的精度可达2%. (3)可以构成输出电压可调

16、的DC/DC变换器. (4)可以构成升压式、降压式和极性反相式DC/DC变换器. (5)内部的输出级含有一个中功率的开关管,不需外加功率管就直接构成中功率的DC/DC变换器. (6)具有双列直插式和表面封装形式. 2.4技术指标 (1) 输入电源电压 MC34063的输入电源电压范围为340V. (2) 输入开关电流 MC34063的输入开关电流1.5A. (3) 振荡频率 MC34063的振荡频率为100KHZ. (4) 基准电压源的精度 MC34063的基准电压源的精度为2%. (5) 静态工作电流 MC34063的静态工作电流为2.5mA. (6) 主要电参数的极限值 1.输入电源电压的

17、极限值:50V 2.内部比较器输入电压范围的极限值:-0.340V. 3.振荡器电源电压的极限值:40V. 4.输出功率开关发射极电源电压的极限值:40V. 5.输出功率开关发射极与集电极电压的极限值:40V. 共 18 页 6.驱动级集电极电压的极限值:40V. 7.驱动级集电极电流的极限值:100mA. 8.功率开关的输出电流极限值:1.5A. 9.具有DIP-8和SO-8两种外形封装,可工使用者灵活选用. 10.耗散功率的极限值(25的环境温度):DIP-8型封装为1.25W,SO-8型封装为0.625W. 11.工作温度范围极限值:AC级的为070,AB级的为-4085. 12.储存温

18、度范围的极限值:-4085. (7) 1. 振荡器的技术参数 共 18 页 3 比较器的技术参数 (8) 输入电源电流 当输入电源电压为540V，Ct=1Nf，第7端与Vin端短路，第5端电压大于比较器的门限电压，第2端接地，其余的管脚悬空时，输入电源电流为2.5mA。 3 电路原理及参数计算 3.1内部原理框图 3.2内部电路工作原理 共 18 页 振荡器通过恒流源对外接在CT管脚(3脚)上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的，所以振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平，D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平，当C

19、和D输入端都变成高电平时触发器被置为高电平，输出开关管导通，反之当振荡器在放电期间，C输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。 电流限制SI检测端(5脚)通过检测连接在V+和5脚之间电阻上的压降来完成功能。当检测到电阻上的电压降接近超过300mV时，电流限制电路开始工作，这时通过CT管脚(3脚)对定时电容进行快速充电以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果是使得输出开关管的关闭时间延长。 3.3主要参数的计算方法 Vsat为输出功率开关的饱和压降。 Vf为输出整流器的导通压降 Vin为输入电源电压 Vout为输出电压，其计算公式为Vout=1.25（1+R2/R1） Iou

20、t为输出电流 共 18 页 Fmin为在固定的输入电源电压和输出电流的条件下，芯片内部振荡器的工作频率。 Vripple为输出纹波电压的峰峰值。 功能：不仅可以构成具有各种输出形式的DC/DC电压变换器，它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和反向器。 还有就是在开关稳压电源电路中承担PWM控制器。 3.4 MC34063的局限性 (1)效率偏低。对于降压应用，效率一般只有70%左右，输出电压低时效率更低。这就使它不能用在某些对功耗要求严格的场合，比如USB提供电源的应用。 (2)占空比范围偏小，约在15%80%，这就限制了它的动态范围，某些输入电压变化较大的应用场合则不适用

21、。 (3)由于采用开环误差放大，所以占空比不能锁定，这给电路参数的选择带来麻烦，电感量和电容量不得不数倍于理论计算值，才能达到预期的效果。虽然34063有许多缺点，但对产品利润空间十分有限的制造商来说，它还是设计开关电源的很好选择。 4 电路设计 4.1 设计技术指标要求 在输入电压为340V的条件下 本设计输入电压选择3V。 (1)输出电压为15V时，输出电流为100mA。 (2)振荡频率10HZ100KHZ，本设计振荡频率选择20 KHZ。 (3)电压调整率1%（输入电压范围为340V）。 (4)负载调整率1%（输入电压3V下，空载到满载）。 (4)纹波电压（峰峰值）100mV，本设计选择

22、40mV. 4.2电路器件的参数选择 (1) 如何选择电感 DC-DC变换器的本质是将电能以磁通量的形式储存在电感中，然后再将该能量转移到负载上。正因为储存的是磁通量，而不是充电电荷，所以只要选择恰当的开关策略，就能使输出电压比输入电压高、低或者极性相反。为实现高效的能量转移，配合MC34063使用的电感应该满足三个要求：首先，电感的感应系数应当很小，以保证在最差情况下(输入电压最低、功率开关打开的时间最短)电感中能存储到足够的能量，但感应系数也不是越小越好，因为还要保证在另一极端情况下(输入电压最高、开关打开时间最长)MC34063及电感的最大(开关)电流指标不至于被突破；其次，电感必须能够

23、存得下需求的磁通量，也就是电感不能进入饱和状态。在基于MC34063的常规设计中，可以使用铁氧体工艺制造的可表面贴装的小型电感，只要它们满足饱和电流为300mA1A，同时直流电阻小于0.4的条件；最后，电感的直流电阻越小越好，以保证电感线圈不 共 18 页 会消耗过多的能量，因为这会使电感产生过多热量。在选用电感时还应考虑到电磁干扰的问题，一般圆弧形状的电感对减少电磁干扰有比较好的作用。还有一点也是最重要的，就是在选择电感前一定要先确定整个电源电路的输入电压、输出电压、输出电流的最小值和最大值。 1.在升压变换器设计中如何选择电感 在一个升压变换器中，电感中存储的能量如下式所示： PL=(VO

24、UT+VD-VIN MIN)(IOUT) 式中，VD是二极管的压降(对1N5818肖特基二极管来说是0.5V)。为保证变换器能调整输出电压，每个周期中由电感提供的能量必须不小于： E7 PL/fOSC 其中fOSC即为LT1111内置振荡器的固有振荡频率72kHz。当开关关闭时，电感中的电流可由下式表示： 其中R表示功率开关的等效电阻(25时的典型值为0.8)与电感直流电阻的和。如果功率开关上的压降和VIN相比很小，则可得到一个简化的公式： 上面这个公式假设的前提是t=0，而且电感中的电流为0。这种情况的电感工作于“不连续模式”，因为电感中的电流被我们假设为0了。实际上，电感中的电流是不可能突

25、然降至0的。将t的取值改为MC34063参数表中所示的开关打开的时间(典型值为7s)，就可以求出针对某个特定的L值和VIN的IPEAK值。求出IPEAK值后，在开关即将关闭前电感中存储的能量就可以用下式求出： 式中，EL的值必须大于PL/fOSC以保证变换器能传递(或者说转移)需求的能量。为提高效率，IPEAK值必须保持在1A以下，更高的开关电流只会导致开关上的压降增加而使总的效率降低。总之，开关电流应尽可能小，这样会使开关、二极管及电感上的损耗也会相应低一些。 (2) 如何选择电容 选择合适的输出电容和选择合适的电感同等重要。如果这个滤波电容选择得不好，那么变换器的效率可能会降低，输出纹波也

26、有可能比较大。我们通常使用的普通铝电解电容，虽然比较便宜而且容易买到，但它的等效串联阻抗(ESR)和等效串联电感(ESL)的特性都比较差，不适合配合MC34063使用。市场上有专为开关式的DC-DC变换器设计 共 18 页 的ESR值较小的铝电解电容，它们的特性比普通的铝电解电容好很多，特别是ESR值可以做得很小。钽电容的特性也非常好，只是价格比较高。通过实验得知，在基于MC34063的变换器中，使用上述三种容量均为100F的电容(假设变换器的最大开关电流为500mA)，不同的电容表现是不一样的。使用普通铝电解电容的变换器的输出过冲最高达到120mV，而使用专用铝电解电容及钽电容的变换器的输出

27、过冲最高就只有35mV左右。 设计工程师应该充分利用ILIM特性来降低输出纹波的幅值。以变换器工作于连续模式为例，如果是升压变换器，其连续工作模式的条件是： 一旦输入、输出电压满足上式的关系，在开关关闭时电感的电流就不会回到零。而等到开关再次打开时，电感中的电流将从这个非零值开始增长。电感中的电流在比较器关闭振荡器之前已经增长到一个相当高的值了，这个较高的电流值将会造成输出纹波过大，这显然需要更大的输出滤波电容和电感来抑制。不过，由于有了ILIM特性的支持，开关电流可以在到达一个用户预先设定的值处触发功率开关关闭。这样，输出纹波就能减小到最小的程度，对输出滤波电容的要求也就会低得多。 (3)

28、如何选择二极管 选择箝位二极管时必须遵循的三条准则包括开关速度、正向导通时的压降、漏电流。我们通常用来作整流器的二极管，如1N4001是绝不适于开关型电压变换器的，它们的额定电流虽然可以达到1A，但开关时间却长达10s50s，这是不可接受的。如果用户使用这种整流管，那么变换效率将受到严重影响，甚至完全不能工作。 大多数MC34063的应用电路中可以使用1N5818肖特基二极管，或是它的可表面贴装的互换型号MBRS130T3。1N5818在通过1A电流的情况下，其正向导通时的压降为500mV，1N5818的开关时间较快，漏电流只有4A10A，这使得1N5818比较适合MC34063的需要。如果变

29、换器的最大开关电流不超过100mA，那么用户也可以选择1N4148，这种二极管在25时的漏电流只有1nA5nA，而且比1N5818更便宜，只是它的通过电流较小，因而不允许在1A的开关电流下工作。 4.3 升压电路原理图及原理解释 上图中过流保护是依靠接在6、7脚之间的外接电阻Rs上的电压降来实现的，限流动作电压为330mV，则限流电阻Rs=330mV/ Ipk，式中Ipk为限流值。外围电路的其余元件参数按式（426）（432）进行计算。 即V0=1.25*（1+R2/R1） （426） Ton/Toff= V0+ Vf Vin/ Vin-Vces （427） T= Ton+ Toff=1/f

30、（428） Ipk=2I0T/Toff （429） C0=I0* Ton/ Vop-p （430） L=( Vin-Vces) Ton/ Ipk （431） Ct=(2.54)*105 * Ton（4332） 式中Vces为开关功率管的饱和压降，一般取0.1V；Vf为续流二极管Vd的正向压降，对于肖特基二极管取0.5V；对于快速恢复二极管取1.2V；Vin为输入电压，当Vin为非稳定电压时，应取其最小值；Vop-p为输出纹波电压的峰峰值。要特别注意对续流二极管的选用，其耐压值应大于2Vin，正向电流应大于1.2I0，反向恢复时间应小于 共 18 页 开关功率管开启时的一半。此时还要求续流二极管

31、Vd正向电压降小，反向电流小，存储时间短，以及具有软恢复特性等。 4.5 此设计要求中升压的相关计算 由Vin=3V V0=15 V I0=100mA Vop-p=40mV f=20KHZ 时 电路元件参数计算如下： 取样电阻R1和R2 的确定：由式（426）V0=1.25*（1+R2/R1）知12=1.25*（1+ R2/R1），则可得R2/R1=11，为降低功耗，一般取R2+ R1支路的电流IR=（0.0020.004）I0，现取IR=0.4mA，可得R2+ R1= V0/IR=12/0.4=12K，则可得R1=1 K，R2=11 K。 限流电阻Rs的确定：由式（427）Ton/Toff=

32、 V0+ Vf Vin/ Vin-Vces可算出Ton/Toff=（12+0.5-3）/（3-1）=4.75，则T= Ton+ Toff=1/f=1/20KHZ=50us，Ton=41.5us，Toff=8.75us.再由式（429）Ipk=2I0T/Toff计算出Ipk=2*100mA50/8.75=1143mA。如根据Ipk确定Rs，则Rs=330mV/ Ipk=0.33/1.143=0.289 ；如根据MC34063中开关功率最大允许电流1.5A来确定Rs，则Rs=0.22。 滤波电容C0的确定：由式（430）C0=I0* Ton/ Vop-p可得C0=0.1 *41.5 us/40mA

33、=103.7uF，实选C0=120 uF。 电感L的确定，由式（431）L=( Vin-Vces) Ton/ Ipk，可取Ipk=1.5A可计算出L=（3-1）*41.5 us/1.5A=55.3 uH，实选55 uH。 电容Ct的确定，由式（432）Ct=(2.54)*I 05* Ton 可得Ct=(2.54)* 105*41.5 us=12.45PF. 5 电路板制作及调试 （1）完整的电路原理图： 共 18 页 图5-1 电路设计总图 （2）电路板的制作过程： PCB图如下： 图6-2 PCB图 PCB的打印、腐蚀、元件的焊接等等典型过程就不在这里详述了。下面着重介绍电路板的调试。 （3）电路板的调试： 电路板按照PCB把元件接好后开始实际电路板的调试： 测试条件：电源接+3V电源，用万用表的电压档测试输出电压。 电压表输出平均在15.1V，存在6%的误差。 误差分析：理论与实践总是有差别的，首先是元件是在一定的技术指标下生产的不可能达到理想元件的要求。另外，有些元器件的理论值与在市面上可购买到的有一定误差，以及在做电路板的过程中，腐蚀，钻孔，焊接过程中可能对电路的布线造成影响。以上的这些都有可能造成与理论值的误差。 共 18 页 6 结束语